Neutronin elämän mysteeri
Neutroni on yksi aineen rakennuspalikoista. Nimi itsessään viittaa
Mutta kuinka kauan neutronin "hajoaminen" kestää, on edelleen mysteeri. Ja tässä syy.
Yksi mittausmenetelmä antaa tulokseksi 887,7 sekuntia plus tai miinus 2,2 sekuntia.
Toinen menetelmä näyttää 878,5 sekuntia, plus tai miinus 0,8 sekuntia.
Tässä he ovat, samat yhdeksän sekuntia, jotka hämmentävät tutkijoita.
Aluksi näytti siltä, että tämä ero johtuimittausherkkyys. Täysin pätevä teoria. Tutkijat jatkavat kuitenkin yhä tarkempien kokeiden sarjaa, ja salakavalat ristiriidat pysyvät edelleen.
Tämä tietojen erojen johdonmukaisuus osoittaa selvästijollekin tuntemattomalle fysiikan tyypille, tiedemiehet ovat varmoja. Tämä voi viitata tähän asti tuntemattomaan neutronien hajoamisprosessiin. Tai tällainen perustavanlaatuinen ristiriita voisi viitata tieteeseen, joka ylittää sen vakiomallin, jota tutkijat tällä hetkellä käyttävät selittääkseen kaiken hiukkasfysiikan. Onhan olemassa useita ilmiöitä, joita vakiomalli ei täysin selitä.
Itse asiassa se ei ole teoria kaikesta, koskaei kuvaa pimeää ainetta, pimeää energiaa eikä sisällä painovoimaa. Kuitenkin kokeellinen vahvistus välivektoribosonien olemassaolosta 80-luvun puolivälissä sai päätökseen Standardimallin rakentamisen ja sen hyväksymisen päämalliksi.
Ja vielä, tarvetta laajentaa malliasyntyi vuonna 2002 neutriinovärähtelyjen löytämisen jälkeen. Muuten, Higgsin bosonin olemassaolon vahvistus vuonna 2012 saattoi päätökseen standardimallin ennustaman alkeishiukkasten kokeellisen havaitsemisen.
Ratkaisemaan outo ristiriitaneutronin elinikä Yhdysvaltain energiaministeriön (DOE) tiedevirasto tekee yhteistyötä muiden liittovaltion virastojen, kansallisten laboratorioiden ja yliopistojen kanssa.
Miksi tutkia neutronia?
Ydinfyysikot tutkivat ensimmäisenä aikaaneutronin elämä, koska sillä on tärkeä rooli fysiikassa. "Luonnossa on joitain perustavanlaatuisia määriä, jotka ovat aina tärkeitä", kertoo Jeff Green, Tennesseen yliopiston professori ja fyysikko Oak Ridgen kansallisesta laboratoriosta energiaministeriöltä. Hän tutki neutronien käyttöikää suurimman osan elämästään - noin 40 vuotta. "Teoriat tulevat ja menevät, mutta neutronien elinikä pysyy keskeisenä monissa prosesseissa."
Itse asiassa neutroni on hyödyllinen opasmuiden hiukkasten ymmärtäminen. Tämä on yksinkertaisin radioaktiivinen hiukkanen, joten se hajoaa säännöllisesti muiksi hiukkasiksi. Siten neutroni antaa tutkijoille hyvän käsityksen heikosta voimasta. Se voima, joka määrittää muuttuvatko neutronit protoneiksi vai eivät. Usein tämä prosessi vapauttaa energiaa ja aiheuttaa ytimien hajoamisen. Myös heikoilla vuorovaikutusprosesseilla on tärkeä rooli ydinfuusiossa, jossa kaksi protonia yhdistyy.
Neutronin elinaika voi myös antaa tutkijoille käsityksen siitä, mitä tapahtui heti Suuren räjähdyksen jälkeen. Houkutteleva, eikö olekin?
Neutronitähden räjähdyskuvitus
Muutama sekunti koulutuksen jälkeenprotonit ja neutronit, mutta ennen kuin ne yhdistyivät alkuaineiksi, aika alkoi. Maailmankaikkeus oli nopeasti jäähtymässä. Jossain vaiheessa se jäähtyi niin paljon, että protonit ja neutronit yhdistyivät melkein välittömästi muodostamaan heliumia ja vetyä. Jos neutronit hajoavat protoneiksi hieman nopeammin tai hitaammin, tällä olisi valtava vaikutus koko maailmankaikkeuden prosessiin. Universumissa olisi hyvin erilainen elementtien tasapaino; on todennäköistä, että elämää itsessään ei olisi ollenkaan.
Tutkijat toivovat saavansa yksinumeroisen numeronneutronin eliniän määritelmä, jotta se voidaan sisällyttää useisiin maailmankaikkeutta kuvaaviin yhtälöihin. Neutronien käyttöiän epävarmuus on hyväksyttävä, mutta kun se on alle sekunti. Varmuuden saaminen vain yhdestä numerosta osoittautui kuitenkin vaikeammaksi kuin fyysikot odottivat.
Neutronien käyttöikä on yksi standardimallin vähiten tunnetuista perusparametreista.
Zhaouen Tang on fyysikko Yhdysvaltain energiaministeriön Los Alamos National Laboratoryssa (LANL).
Kyllä, tietysti, eri yksilötkokeilla pystyttiin saavuttamaan vaadittu tarkkuustaso. Mutta erilaisten kokeiden välinen epäjohdonmukaisuus estää tutkijoita määrittämästä tiettyä neutronien elinkaaren määrää.
Kuinka tietojen epäjohdonmukaisuus havaittiin
Selvitys siitä, että niitä ontietojen ero johtui fyysikkojen halusta antaa vastauksia kaikkiin universumia koskeviin kysymyksiin. Kahden tai useamman menetelmän käyttäminen saman määrän mittaamiseen on paras tapa varmistaa tarkka mittaus. Mutta tiedemiehet eivät voi asettaa ajastimia neutroneille nähdäksesi kuinka nopeasti ne hajoavat. Sen sijaan he löytävät tapoja mitata neutroneja ennen hajoamista ja sen jälkeen niiden eliniän laskemiseksi.
Ja tämä on suurin ongelma.
Kun fyysikot repivät neutroneja atomituumista,he panevat ne pulloon ja laskevat, kuinka monta neutronia siinä vielä jonkin ajan kuluttua on, oletetaan, että neutronit hajoavat keskimäärin radioaktiivisesti 14 minuutin 39 sekunnin kuluttua. Mutta kun muut fyysikot luovat neutronisäteitä ja laskevat ilmestyvien protonien määrän - hiukkaset, jotka ovat vapaiden neutronien hajoamistuotteita -, niiden keskimääräinen elinikä on noin 14 minuuttia 48 sekuntia.
"Pullon" ja "säteen" mittausten välinen ero jatkuu edelleen.
"Pullo" - ja "pullo" - mittausten väliset erot"Ray" on ollut olemassa siitä päivästä lähtien, jolloin menetelmät neutronien käyttöiän laskemiseksi alkoivat tuottaa tuloksia 1990-luvulla. Aluksi kaikki mittaukset olivat niin epätarkkoja, että kukaan ei ollut huolissani siitä. Mutta vähitellen molemmat menetelmät parantuivat ja erosivat edelleen arvioistaan.
Palkkikokeissa käytetään koneitajotka luovat neutronivirtoja. Tutkijat mittaavat neutronien lukumäärän tietyssä säteen tilavuudessa. Sitten ne ohjaavat virtauksen magneettikentän läpi sähkö- ja magneettikenttien muodostamaan hiukkasloukkuun. Neutronit hajoavat loukussa, jossa fyysikot mittaavat jäljelle jääneiden protonien määrän.
Protonidetektori Kansallisessa standardi- ja teknologiainstituutissa, jota käytetään sädemenetelmässä.
Päinvastoin, pullokokeet kiinniultrakylmät neutronit astiassa. Ultrakylmät neutronit liikkuvat paljon hitaammin kuin normaalit neutronit - muutama metri sekunnissa, kun fissioreaktiot ovat 10 miljoonaa metriä sekunnissa. Tutkijat mittaavat ensin, kuinka monta neutronia säiliössä on, ja sitten taas tietyn ajan kuluttua. Tutkimalla eroa he voivat laskea, kuinka nopeasti neutronit hajoavat.
Kokeile Los Alamosin UNCtaussa käyttämällä pullomenetelmää neutronien eliniän mittaamiseksi
"Pullokokeessa he mittaavat"Selvijät" ovat "kuolleita" säteilykokeissa", Green selittää. – Pullokoe kuulostaa helpolta, mutta on itse asiassa hyvin vaikeaa. Toisaalta säteiden kokeilu kuulostaa monimutkaiselta ja todellisuudessa se on myös vaikea toteuttaa.
Green ja hänen työtoverinsa suorittivat uusia mittauksia2013 NIST:ssä, mikä auttoi heitä laskemaan vielä tarkemmin sädekokeen, jonka he suorittivat samassa laboratoriossa vuonna 2005. Tässä vaiheessa tutkijat ovat saaneet päätökseen viisi pullokoetta ja kaksi nippujen kanssa. Green oli vakuuttunut siitä, että aikaisemmista sädekokeista puuttui yksi suurimmista epävarmuuden lähteistä. Nimittäin säteen tarkka neutronien lukumäärä. Fyysikot ovat parantaneet tämän muuttujan mittauksiaan tehdäkseen niistä viisi kertaa tarkempia. Mutta kahdeksan vuoden kova työ jätti heille mitään. Tarkemmin sanottuna samalla erolla tuloksissa.
Tutkijat työskentelevät kokeiden kanssapullot, joutuivat kohtaamaan omat vaikeutensa. Yksi suurimmista mittaushaasteista oli estää neutronihäviö vuorovaikutuksessa materiaalin kanssa, josta astia on valmistettu. Vuoto muuttaa neutronien määrää hajoamisen lopussa ja häiritsee laskelmia.
Tämän ongelman ratkaisemiseksi viimeisessäLANL:n pullokoe, jota Yhdysvaltain tiedeministeriö tuki, eliminoi fyysiset seinät. Sen sijaan ydinfyysikot käyttivät magneettikenttiä ja painovoimaa pitämään neutronit paikoillaan.
"Olin vakuuttunut siitä, että jos teimme tämän, niinvoimme antaa neutronin elää pidempään ja sopia neutronien eliniän kanssa sädekokeiden tuloksena ", kertoi kokeen johtaja Chiana-Yu Liu, Indianan yliopiston naisprofessori. "Se oli henkilökohtainen puolueellisuus."
Mutta ero pysyy."Se oli minulle iso shokki", hän myöhemmin myönsi viitaten vuonna 2018 julkaistuihin tuloksiin. Mahdollisuus, että ero johtuu sattumasta, on alle yksi 10000: sta. Mutta se voi silti johtua kokeellisesta virheestä.
Miksi virhe tapahtuu?
Tutkijat kohtaavat kahta tyyppiäepävarmuustekijät tai virheet kokeissa: tilastolliset tai järjestelmälliset. Tilastovirheet johtuvat riittämättömistä tiedoista. Tämä estää meitä tekemään vakaita johtopäätöksiä. Suurten tietojen hankkiminen vähentää virheitä.
Systemaattiset virheet ovat perustavanlaatuisiakokeen epävarmuus. Muuten, ne eivät usein ole ilmeisiä. Kummallakin neutronikokeen tyypillä on täysin erilaiset systemaattiset virheet. Jos tulokset olisivat samat, kokeet olisivat erinomainen testi toisilleen. Mutta sitä ei tapahdu.
"Vaikein asia mitattaessa neutronien käyttöikää- se on, että se on sekä liian lyhyt että liian pitkä, Hoogheide sanoo. "On käynyt ilmi, että 15 minuuttia on todella hankala aika mitata fysiikassa."
Siksi ydintutkijat jatkavat työtä tietojen keräämiseksi ja systemaattisten virheiden minimoimiseksi.
Pysty - neutronien käyttöikä sekunteina. Punainen merkitsee kokeiden tuloksia säteillä, sininen - pulloilla.
”Yksi asioista, joista pidän enitenomalla alallani on ylimääräistä huomiota yksityiskohtiin ja kuinka syvällisesti sinun on ymmärrettävä kokeilun kaikki näkökohdat, jotta voit tehdä luotettavan mittauksen ", sanoi Leah Broussard, ydinfyysikko ORNL: stä.
NIST:ssä Hoogerheide, Green ja muut tiedemiehettekevät uutta sädekokeilua, joka tutkii kaikki mahdolliset ongelmat mahdollisimman täydellisesti. Valitettavasti jokainen kokeen asetus vaikuttaa myöhempään tulokseen, joten tämä työ perustuu "kaksi askelta eteenpäin, yksi askel taaksepäin" -järjestelmään.
Muun työn tavoitteena on löytää uusia tapoja mitata neutronin elinikää.
Tutkijat Johns Hopkinsin yliopistosta jaDurhamin yliopisto, Iso-Britannia, selvitti Yhdysvaltain energiaministeriön tuella, kuinka NASA: n tietojen avulla mitataan neutronien elinikä. Ne laskivat Venuksesta ja Merkuruksesta peräisin olevien neutronien perusteella 780 sekunnin käyttöiän 130 sekunnin virheellä. Mutta koska tiedonkeruuta ei ole tarkoitettu tähän tarkoitukseen, epävarmuus on liian suuri määritettäessä eroa hiukkasten elämässä. Los Alamosin kansallisen laboratorion fyysikko Zhaouen Tang perustaa kokeen, joka on risteytys pullo- ja sädekokeiden välillä. Sen sijaan, että mittaisit protoneja lopussa, se mittaa elektroneja.
Täysin uusi lähestymistapa. Mutta näyttää siltä, että kaikki muut vaihtoehdot ovat uuvuttaneet itsensä?
Tai ei?
Uusia teorioita. Radikaaleista ideoista science fictioniin
Tietenkin on aina mahdollista, että mittausero osoittaa suoraan aukon tietämyksessämme tästä perushiukkasesta - neutronista.
Tang myöntää, ettei hänellä ole suunnitelmia lopettaakokeiluja. "On niin monia esimerkkejä ihmisistä, jotka havaitsivat jotain poikkeuksellista ja sitten yksinkertaisesti syyttivät sitä siitä virheestä, että he eivät työskennelleet tarpeeksi lujasti." Ja joku muu työskenteli ja sai Nobel-palkinnon."
Yksi teoria neutronin elämän mysteeristä onettä se tuhotaan tavoilla, joita tiedemiehet eivät yksinkertaisesti tiedä. Se voi hajota hiukkasiksi, jotka eroavat tutusta protonin, elektronin ja antineutrinon yhdistelmästä. Jos näin on, tämä selittää miksi neutronitkatoavat kokeilla pulloja,mutta vastaava määräprotoneja ei havaita sädekokeissa.
Muut ajatukset ovat vielä radikaalimpia.
Jotkut teoreetikot ehdottavat, että neutronithajoaminen gammasäteiksi ja salaperäiseksi pimeäksi aineeksi. Tumma aine muodostaa 75% maailmankaikkeuden aineesta, mutta tiedemiehet tietävät, että se on vuorovaikutuksessa tavallisen aineen kanssa vain painovoiman kautta. Tämän teorian testaamiseksi ryhmä LANL: n tutkijoita suoritti pullokokeilun version, jossa he mittaivat neutroneja ja gammasäteitä. Ehdotetut gammasäteet eivät kuitenkaan toteutuneet, eikä tutkijoilla ole todisteita tumman aineen esiintymisestä neutronien kautta.
Peilimateriaali on toinen mahdollinenkonsepti, joka kuulostaa tieteiskirjallisuudesta. Teoriassa "puuttuvat" neutronit voivat muuttua peilineutroneiksi, nimittäin täsmällisiksi kopioiksi, jotka ovat olemassa vastakkaisessa universumissa. Tämä peiliuniversumi kehittyisi eri tavalla kuin universumimme, ja se olisi paljon kylmempi ja helium vallitsisi siinä. Vaikka jotkut ydintutkijat, kuten Green, pitävät sitä "epätodennäköisenä", toiset ovat kiinnostuneita testaamaan teoriaa "varmuuden vuoksi".
"Tämä on suhteellisen tuntematon alue.Se kuulostaa minusta erittäin houkuttelevalta, koska minulla on loistava neutronilähde takapihallani", sanoi Leah Broussard viitaten Spallation Neutron Source- ja High Flux Isotope Reactor -reaktoriin, jotka molemmat omistavat Department of Energyn Office of Science. ORNL.
Vasemmalta oikealle:ORNL-yhteistyökumppanit Matthew Frost ja Leah Broussard työskentelevät magneettisen reflektometrin parissa fissio-neutronilähteessä, jota käytetään heijastavien neutronien etsimiseen. Luotto: Genevieve Martin / Oak Ridge National Laboratory, Yhdysvaltain energiaministeriö.
Tämän teorian testaamiseksi Broussard analysoitiedot prosessista, joka simuloi säteen elinikäistä koketta, mutta on viritetty sieppaamaan potentiaalisen näkymättömän neutronikumppanin allekirjoitus. Käynnistämällä neutronisäteen tietyn magneettikentän läpi ja pysäyttämällä sen sitten materiaalilla, joka pysäyttää normaalit neutronit, hän ja hänen kollegansa voivat pystyä selvittämään onko peilineutroneja olemassa.
Olivatpa tulokset mikä tahansakokeilu, työ neutronien eliniän määrittämiseksi jatkuu. "On erittäin merkittävää, että neutronin elinikää on yritetty mitata tarkasti. Tämä kertoo tutkijoiden erittäin emotionaalisesta reaktiosta epäjohdonmukaisuuksiin tällä alalla - "Haluan vihdoinkin saada sen selville!" Broussard päättää. "Jokaista tiedemiestä motivoi halu oppia, halu ymmärtää."
Lue myös
Uhanalaisella maapallolla asteroidi Apophis huomasi vaarallisen ilmiön. Mitä tapahtuu?
Tutkijat ovat selvittäneet, miksi lapset ovat vaarallisimpia COVID-19: n kantajia
Mitä Parker Solar Probe löysi, kun se lensi mahdollisimman lähellä aurinkoa